Академик Юрий Оганесян: Познание сильного взаимодействия изменит мир
Что происходит внутри атомного ядра, как ведут себя ядра на границах их существования и что может измениться, если физики поймут природу сильного взаимодействия?
Рассказывает академик Юрий Цолакович Оганесян, научный руководитель Лаборатории ядерных реакций Объединённого института ядерных исследований в подмосковной Дубне. Среди его научных заслуг — фундаментальные исследования механизма взаимодействия сложных ядер, обнаружение и исследование влияния ядерной структуры на коллективное движение ядер в процессах слияния и деления, открытие нового класса ядерных реакций — холодного слияния массивных ядер, широко используемых по настоящее время в различных лабораториях мира для синтеза новых элементов. Ю. Ц. Оганесян — соавтор открытия ряда тяжёлых элементов таблицы Д. И . Менделеева, а 118-й элемент назван в его честь.
— Юрий Цолакович, когда началось ваше увлечение таблицей Менделеева? И почему важно её расширять?
— Меня «привязывают» к знаменитой Таблице, но я не химик, а физик. Я всю жизнь занимаюсь ядерной физикой. Ведь известно, что в атоме есть ядро и вокруг ядра вращаются электроны. Атомы — они же элементы, с различными названиями и свойствами в зависимости от заряда ядра. А вот как ведёт себя этот элемент при взаимодействии с другими элементами — это уже химия. Но меня интересовало не то, где предел Таблицы, а где предел существования ядер.
— И где этот предел?
— Это серьёзный вопрос. Между прочим, пределы существования ядер и элементов разные, потому что сама материя разная. Ядерная материя — удивительная субстанция маленького размера и огромной плотности, которая несёт весь положительный заряд и всю массу атома. А вокруг ядра на большом расстоянии вращаются электроны на своих орбитах. Не знаю, насколько удачно моё сравнение, но всё это мне напоминает большую люстру: в середине — мощная лампа, а вокруг лампы в несколько рядов вращаются висюльки. Они светят отражённым от лампы светом. И если вы предположите, что ваше ядро размером с апельсин находится возле мавзолея на Красной площади, то первой орбитой, по которой вращаются электроны, будет Садовое кольцо. Вторая орбита будет кольцевой автодорогой. А последняя орбита окажется где-то около Стокгольма. Вот такая ажурная люстра!
— Кончается ли эта «люстра»?
— Да, кончается. Всё имеет начало и конец. Обычно это выражение относится к человеческой жизни. Но оно справедливо и для мироздания в том смысле, что любая система, большая или малая, стремится занять упорядоченное состояние с наименьшей потенциальной энергией. Отсутствие конца, скорее всего, объясняется отсутствием знаний об этом конце.
— Где же она кончается?
— Первый предел связан с центром, с самой «лампой». Но если можно было бы сделать «лампу» любой мощности, то второй предел наступил бы там, где кончается конструкция самой «люстры». Потому что согласно квантовой электродинамике положительный заряд ядра, а в соответствии с ним и число отрицательно заряженных электронов имеют предел. Вот эти два предела можно обсуждать.
Но мне кажется, что конец ядра придёт раньше, потому что мы сейчас, находясь в области 118-го или 120-го элементов, уже подошли к самой границе существования ядер. А предел существования «гирлянды» — атомные номера около 174. Поэтому пока тратим время, силы и деньги не на Таблицу, а на ядерную физику. Но скоро начнём серьёзно заниматься химией сверхтяжёлых элементов. От Таблицы далеко не уйдёшь!
— Как вы думаете, наступит ли момент, когда она устареет и потребует обновления подобно Стандартной модели в физике?
— Сам Менделеев считал, что Таблица будет меняться, но открытый им Периодический закон останется.
— Что вы узнали о ядре основополагающего, важного?
— Мы знаем, что это удивительная субстанция, и она физике ещё до конца не понятна. Нет строгой теории, как в электричестве, когда можно рассчитать всё от громадной электростанции до маленького чипа. Есть теоретические модели. Но как сцеплены протоны и нейтроны в ядре, мы пока не знаем. Несмотря на это, мы используем атомную энергию во многих областях нашей деятельности. Природа ядерных сил, называемых сильным взаимодействием, — огромный вопрос, который остаётся пока открытым.
В природе, как вы знаете, есть четыре типа взаимодействия — электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие так называется потому, что оно сильнее электромагнитного в сотни раз. Если бы это злополучное сильное взаимодействие было изучено так, как это имеет место с электромагнитным или слабым взаимодействием, мне кажется, мир бы совершенно преобразился.
— Почему же оно злополучное?
— Потому что эта задача очень сложна. При этом мы понимаем: если мы овладеем сильным взаимодействием, то оно преобразует наш мир, как это было после Фарадея. Представьте себе электричество, без которого мы не мыслим сегодня свою жизнь, только сильнее в сотни раз!
— Как вы думаете, удастся в конце концов понять, как «работает» сильное взаимодействие?
— Думаю, да. Рано или поздно это будет сделано.
— Какими способами? С какой стороны нужно подходить?
— Одна сторона такова: ведь никто не сомневается, что есть ядро. Оно состоит из протонов и нейтронов — это тоже известно. Значит, когда-то оно образовалось, когда-то возникли эти протоны и нейтроны, когда-то они слепились. Есть Стандартная модель, которую, с моей точки зрения, необоснованно и часто ругают, потому что она не в состоянии всё объяснить. Но она даёт представление о том, что протоны и нейтроны состоят из кварков, а кварки «склеены» глюонами (glue — это клей по-английски). Понять бы, как это происходило в природе?
Начали исследовать. Двигаясь от конца к началу. Мы знаем, что молекула состоит из атомов, атом — из ядра и электронов, само ядро — из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны состоят из кварков и глюонов. А дальше, микросекундой ранее — Большой взрыв. Всё, конечно, развивалось в обратном направлении: сначала взрыв, потом идёт очень быстрый процесс крупномасштабных изменений материи, в которой через одну микросекунду после взрыва при огромной плотности и высокой температуре рождаются протоны и нейтроны. Иногда эту фазу называют кварк-глюонной плазмой. У физиков есть желание исследовать этот «суп» и увидеть, как рождаются протоны и нейтроны. Создаются большие ускорители, у нас строится коллайдер NICA для исследования подобной горячей материи.
Вообще, стадийность движения от беспорядка к порядку прослеживается во всей истории образования Вселенной, насчитывающей 13,7 миллиарда лет. А физики, живущие на Земле, хотят, наоборот, создать «беспорядок» из протонов и нейтронов в надежде потом увидеть и понять, как из кварк-глюонной плазмы вновь рождаются протоны и нейтроны.
— Как бы смоделировать сотворение мира?
— Именно так. Задача эта, по сути, не новая. Но, рассматривая различные сценарии сотворения мира (из них самый популярный — Большой взрыв), мы невольно двигаемся в глубь строения материи.
Сегодня экспериментаторы добрались до стадии возникновения кварков и глюонов. До субстанции, возникшей через одну микросекунду после Большого взрыва. Однако понять свойства вещества, состоящего из этих кварков и глюонов, и то, как взаимодействуют эти частицы, пока не удаётся. Отсюда неясна и сама природа ядерных сил.
Конечно, точно смоделировать сотворение мира мы никогда не сможем, потому что там участвовали огромные массы, а температуры достигали триллионов градусов. Но разгонять тяжёлые ядра, которые состоят из многих протонов и нейтронов, до огромной энергии, сталкивать их лоб в лоб в коллайдерах научились. В зоне столкновения ядерная материя уплотняется, температура в этом месте повышается до триллиона градусов — часть протонов и нейтронов «расплавится» в кварки и глюоны. Важно распознать, что это действительно произошло, а распознав, заняться этим делом основательно, чтобы понять, как образуются протоны и нейтроны.
Вопросов здесь много. Например, почему именно три кварка участвуют в создании протона и нейтрона?
— Как я понимаю, если бы стали возможны другие варианты, не три, а два или четыре, всё было бы иначе. Или ничего бы не было?
— Вот и надо понять, почему именно так всё устроено. А потом мы будем пользоваться этим, подобно тому, как мы пользуемся электричеством. Но, как мне кажется, далеко потом.
— А что было до Большого взрыва, когда ничего не было?
— Тоже интересный вопрос. Ответа на него пока нет. Почему этот взрыв произошёл? Имеются разные сценарии, концепции, но всегда обсуждается то, что было после взрыва. И был, как считают, безумно короткий промежуток, когда появились понятия времени и пространства. Как бы были вброшены эти понятия, когда всё менялось очень быстро, быстрее скорости света. Что значит «быстрее скорости света», тоже трудно представить, потому что Стандартная модель ограничивает скорость — скоростью света. А потом расширение продолжалось, но значительно медленнее, хотя и с ускорением. Расширение Вселенной идёт до сих пор. Когда появились протоны и нейтроны, они стали взаимодействовать друг с другом и комбинироваться в ядра. Так проявилось сильное взаимодействие.